潭江泗合水流域降雨徑流非點源污染特征分析

馮麒宇,胡海英,黃國如

(華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州　510640)

潭江泗合水流域降雨徑流非點源污染特征分析

馮麒宇,胡海英,黃國如

(華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州510640)

摘要：以廣東省江門市潭江泗合水流域為研究對象,對2014年5月兩場降雨事件的水質、水量進行同步監測,研究降雨徑流條件下非點源污染物的輸出機理和時空變化規律。結果表明:BOD5、TN和TP表現出明顯的初期沖刷效應;輸出污染物中可溶性磷占TP比例較大,NH3-N在徑流前半段表現出初期沖刷效應,后半段其質量濃度與徑流量呈負相關關系;CODMn質量濃度呈波浪鋸齒狀變化,后期質量濃度變化受到壤中流主導退水過程的影響;各污染物通量變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,兩者相關性顯著;各污染物的輸出質量濃度與TSS輸出質量濃度無明顯的相關性,表明懸浮物對其他污染物輸出質量濃度的貢獻相對較小。最后,根據實驗結果以及實踐經驗提出流域管理建議。

關鍵詞：降雨徑流監測;非點源污染;特征分析;初期沖刷效應;泗合水流域

農業非點源污染因為其隨機性、滯后性、不確定性和隱蔽性等特點越來越成為影響水體質量的重要因素。氮、磷作為農田周邊水體富營養化的驅動因子,國內外學者很早就針對其在流域內的排放過程和遷移規律做了大量的監測及模型研究,并強調控制農村非點源污染的重要性[1-2]。李長嘉等[3]在晉江西溪流域對茶園和裸地的徑流產沙及氮、磷流失過程進行對比實驗,得到2年茶園，4年茶園、裸地在污染物流失量上的差異;蔣銳等[4-5]在四川盆地紫色土丘陵地區探討了氮、磷的濃度、形態隨降雨徑流變化,發現氮素遷移前期以PN為主,后期以NN為主,而磷素主要以地表徑流遷移的PP為主,且土壤侵蝕對磷素流失起主導作用;盛海峰等[6]采用野外采樣和室內實驗結合的方法,在宜興梅林小流域發現懸浮態磷與可溶性磷占TP百分比與下墊面和植被等因素有關,磷素淋溶主要是可溶性磷,且峰值滯后于降雨;其他學者還在沂蒙山區孟良崮小流域[7]、山西省岔口小流域[8]、太湖流域[9]等地區探討了不同雨強、不同前期影響雨量對氮、磷輸出負荷的影響以及季節因素對氮、磷輸出的影響。但是針對南方地區，特別是廣東沿海一帶的典型小流域,大多數研究是基于模型的模擬以及負荷核算[10-11],有關野外監測的非點源流失規律研究并不多[12],尤其是針對泥沙、BOD5、CODMn、TP 、TN和NH3-N等6種污染物的全面分析更加少見。

筆者以廣東省江門市潭江泗合水流域為研究對象,對該流域2014年5月的兩場降雨事件進行水質、水量同步監測。結合前人在類似流域的研究,分析降雨徑流中主要污染物的濃度及通量與徑流量、降雨等環境因素的關系,總結降雨徑流條件下非點源污染物的輸出機理和時空變化規律,為流域非點源污染的治理提供科學依據。

1研究流域概況

泗合水流域地處廣東省江門市潭江最大支流鎮海水的上游,呈西北往東南方向傾斜,流域面積131 km2,山巒重疊,森林覆蓋率81.5%,主河長約26 km,河床比降0.281%。流域屬亞熱帶季風氣候,雨量充足,多年平均氣溫23℃,多年平均降雨量1 661.1 mm,主要集中在4—9月,多年平均徑流量1.145 3億m3,多年平均蒸發量877.7 mm。流域內土地利用類型大致分為林地、耕地、草地、建設用地等。

雙橋水文站是泗合水小流域的出口控制站,建于1958年7月,地理坐標東經112°34′34″,北緯22°35′20″,位于鶴山市雙合鎮雙橋圩。自建站以來該站一直系統地收集水位、流量、降雨量、蒸發等水文資料和水質資料。

2研究方法

2.1水樣采集

在泗合水流域出口雙橋水文站處設立監測斷面,于2014年5月對流域兩次降雨過程進行包括水位、流量、降雨量、各污染物輸出濃度的同步監測。

采樣裝樣方法:降雨事件中,樣品的采集頻率視降雨量大小而定,在流域開始產流時即開始采樣,采樣時間間隔一般為1 h,若遇到高強度的降雨,則加密至30 min一次,若降雨強度降低則適當延長至2 h一次。受流域匯流時間影響,采樣需持續至洪峰回落后的若干小時。

水樣中各污染物的測定方法:BOD5用差壓法,CODMn用高錳酸鹽指數法,TSS用重量法,TP用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法,TN用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法,NH3-N用納氏試劑比色法。通過監測,共獲取兩場(洪號分別為20140504, 20140520)較為完整的暴雨徑流分析數據,降雨事件各要素特征見表1。

表1　降雨事件各要素特征

2.2數據分析方法

2.2.1平均濃度法

用徑流中某種污染物的質量除以總的徑流量可得到平均濃度,計算公式[7]為

(1)

2.2.2通量分析

假定各時段的水質和水量不變,用各時段的污染物濃度乘以徑流量可得到時段內的污染物輸出量W。

(2)

式中:Qi為第i小時內的徑流量;Ci為第i小時內的污染物濃度。

3結果與分析

3.1降雨徑流中污染物質量濃度水平

兩場降雨事件過程中污染物輸出質量濃度值見表2。降雨事件中地表徑流主要污染物BOD5、CODMn、TSS、TP、TN和NH3-N的平均質量濃度分別為12.4 mg/L、5.8 mg/L、145 mg/L、0.55 mg/L、3.13 mg/L和1.44 mg/L,當地表水TP質量濃度達0.9～1.8 mg/L、TN質量濃度達0.9～3.5 mg/L時,可造成水生生物生長旺盛[13],所以泗合水流域徑流污染物質量濃度已影響到該流域水環境質量。

表2　降雨事件徑流污染物輸出質量濃度

3.2污染物質量濃度與徑流量變化特征

選取20140520降雨事件來分析降雨徑流過程的污染物輸出特征。流域出口流量與降雨量變化過程之間的關系見圖1。由圖1可知,20140520次降雨事件的降雨從5月20日13:00開始,14:00降雨量達到最大值,相應的徑流量在17:00左右達到峰值,比最大降雨量滯后3 h出現。分別作出徑流量同各種污染物質量濃度變化關系曲線(圖2)。

圖1　20140520場降雨事件出口流量與降雨量變化過程

20140520次降雨事件降雨前河道流量約為3.75 m3/s,污染物BOD5、CODMn、TSS、TP 、TN和NH3-N的平均質量濃度分別為7.8 mg/L、4.3 mg/L、33 mg/L、0.13 mg/L、2.76 mg/L、1.18 mg/L。由圖2可見,20140520次降雨事件中的BOD5、TP和TN質量濃度隨時間變化的趨勢大體相同,具有明顯的初期沖刷效應,其質量濃度最大值均出現在降雨發生后1～2 h,且比最大流量值出現時間提前1 h左右。原因是前期地表污染物累積量大,徑流對污染物的侵蝕和沖刷使其質量濃度升高并迅速達到峰值,隨著徑流量的增大其稀釋作用又占據了主導地位,污染物質量濃度逐漸降低。

其中,BOD5初期沖刷現象比較明顯,與姚錫良等[10]在此流域做過的類似研究的結果不一致,分析知姚錫良等[10]所測20110516次降雨事件中前期影響雨量較大且降雨強度不高,所以前期累積BOD5不多、沖刷效果不夠明顯,質量濃度變化過程呈波浪狀,沒有表現出明顯的初期沖刷效應。圖2中TP質量濃度在5月20日18:00左右出現一個急劇下滑點,此點也正是流量的峰值點,參考李開明等[11]利用AnnAGNPS模型在此流域模擬的TP負荷空間分布,流域中下游因為人口密度大,集中了絕大部分的TP負荷,而此區域土地經常翻耕、施肥,表層磷質量濃度高,又因為地形相對較緩,產流帶走泥沙較少,所以可溶性磷比例較大,這與盛海峰等[6]在宜興梅林小流域得出的結論類似。加之大部分可溶性磷在降雨前期就已隨地表徑流進入河道,當流量迅速達到峰值時,其流失、擴散速度陡增,質量濃度值就會出現凹點。

圖2　20140520次降雨事件流量與各類污染物質量濃度變化過程

對于NH3-N的質量濃度變化,不僅發現其前半段具有明顯的初期沖刷效應,還發現其后半段與流量呈明顯的負相關關系,這與姚錫良等[10]在此流域所得結論不完全一致?？山忉尀榍捌诤拥乐械腘H3-N大部分來自于淺層地表且較早進入河道,因為“沖洗”及“稀釋”作用表現出初期沖刷效應;但是到了后期,雨水對泥沙的持續侵蝕使得土壤中的NH3-N也流失于河道中,加之徑流量減小,所以NH3-N質量濃度在后期明顯上升,這同閆瑞等[8]在岔口小流域所得到NH3-N的變化規律類似。TN質量濃度在后期上升也是受到NH3-N質量濃度上升的影響。

TSS質量濃度變化的總體趨勢與徑流量基本保持一致,TSS輸出質量濃度值和流量同時達到峰值,然后隨徑流減少而降低,說明徑流量對泥沙的輸出具有主導作用。CODMn的質量濃度呈波浪鋸齒狀變化,這與李定強等[12]在廣東省東江流域做過的類似研究不一致,但是通常情況下CODMn在各場降雨中峰值出現的時間和隨徑流變化的規律受到土地利用類型、人類活動等因素的復雜影響,很難表現出統一性[14];而本次降雨后期CODMn質量濃度再次出現高值,這應該與壤中流主導退水過程有關,較高的森林覆蓋率使得該流域土壤中有機物質量濃度較高,土壤水中較高的有機物質量濃度對CODMn質量濃度后期的變化產生了影響。

3.3污染物通量負荷與徑流變化特征

通過對各污染物通量進行計算,進一步分析污染物通量負荷與徑流的關系特征。由圖3可見,BOD5、CODMn、TP、TN和NH3-N污染物通量隨時間的變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,其同步性優于污染物質量濃度與徑流過程;而且各污染物通量峰值幾乎與徑流量峰值同時達到,說明污染物通量過程主要由流量過程所控制。20140520次降雨事件中TP的通量變化曲線存在一個較大的鋸齒狀波動,分析知TP通量受到流量和質量濃度過程的共同影響,TP質量濃度在18:00左右出現一個急劇下滑點,這造成了TP通量的顯著波動。

圖3　20140520場降雨事件流量與各類污染物通量變化過程

3.4污染物質量濃度及通量與徑流量相關分析

利用Pearson相關分析法對兩場降雨事件的污染物質量濃度和通量與流量進行相關分析,結果如表3所示。由表3可見,兩場降雨事件中,污染物TSS的質量濃度與流量的相關性較好,其次是NH3-N和TN,污染物BOD5、CODMn和TP的質量濃度與徑流量的相關關系不明顯。此外,各污染物通量與徑流量的相關系數大部分大于0.9,且均為正數,表明兩者的相關性非常顯著,即徑流量對污染物通量的變化起重要作用。

3.5各污染物質量濃度與TSS質量濃度相關性分析

利用Pearson相關分析法分析兩場降雨事件地表徑流中BOD5、CODMn、TP 、TN、NH3-N與TSS輸出質量濃度的相關性,結果如表4所示。由表4可見,20140520次降雨事件中, TN、NH3-N和TP與TSS輸出質量濃度具有一定的相關性,但相關系數不高,BOD5、CODMn與TSS輸出質量濃度的關系不明顯。20140504次降雨事件中,各污染物的輸出質量濃度

表3　污染物質量濃度及通量與流量相關分析

注: *表示顯著性水平p<0.05,**表示顯著性水平p<0.01。

表4　降雨事件中污染物質量濃度與TSS質量濃度的相關系數

注: *表示顯著性水平p<0.05；**表示顯著性水平p<0.01。

與TSS輸出質量濃度無明顯的相關性,表明懸浮物對BOD5、CODMn、TN、NH3-N、TP輸出質量濃度的貢獻相對較小。由于降雨期間流域污染物的分布與構成具有空間異性,加之流域中不同地點同一時刻形成的徑流匯集到監測斷面所需的匯流時間也不同,以及一些人為和非人為因素的影響,各污染物輸出質量濃度之間的關系就更加復雜。

4結論

a. 降雨事件中前期影響雨量越小、平均雨強越大,產生的徑流污染物平均輸出質量濃度越大,初期沖刷效應更加明顯。

b. BOD5、TP和TN表現出明顯的初期沖刷效應,TP質量濃度值在流量峰值處出現凹點,主要是可溶性磷占TP比例較大,且大部分已于前期進入河道,當流量迅速增大時,磷素流失、擴散也會加劇;TSS輸出過程主要受徑流量的主導。

c. NH3-N的質量濃度變化,其前半段具有明顯的初期沖刷效應,后半段與徑流量呈明顯的負相關關系,主要原因是后期雨水對泥沙的持續侵蝕使得土壤中的NH3-N也進入河道,加之徑流量減小;CODMn質量濃度呈波浪鋸齒狀變化,其規律在各次降雨中很難表現出一致性,后期質量濃度變化受到壤中流主導退水過程的影響。

d. 各污染物通量變化趨勢和徑流量變化趨勢大體相同,兩者相關性顯著;各污染物的輸出質量濃度與TSS輸出質量濃度無明顯的相關性,表明懸浮物對其他污染物輸出質量濃度的貢獻相對較小。

5流域管理建議

a. 合理規劃、利用土地資源,保持森林覆蓋率,減少水土流失;減少農作物翻耕、施肥的次數,增加化肥利用效率,避免雨前施肥。

b. 截獲一定比例的初期徑流能夠有效減少BOD5、TP和TN的輸出,截獲一定比例的后期徑流對NH3-N、TN的減控也具有重要意義,可針對性地在流域中布置明槽、溝渠等截流設施。

c. 在人口密度較大的流域中下游做好宣傳教育工作,禁止靠近河湖耕作,在雨季做好牲畜及其糞便的管理,禁止生活垃圾直接排入河道。

參考文獻：

[1] ZHU Bo,WANG Zhenhua,ZHANG Xinbao.Phosphorus fractions and release potential of ditch sediments from different land uses in a small catchment of the upper Yangtze River [J].Journal of Soils and Sediments,2012,12 (2):278-290.

[2] ONELEY E D,ZHANG Xiaolan,YU Tao.Current status of agricultural and rural non-point source pollution assessment in China [J].Environmental Pollution,2010,158:1159-1168.

[3] 李長嘉,潘成忠,滕彥國.晉江西溪流域茶園降雨徑流產污特征[J].環境工程學報,2013,7(8):2909-2914.(LI Changjia,PAN Chengzhong,TENG Yanguo.Rainfall runoff and pollution characteristics of tea garden in Xixi watershed within Jinjiang River Basin [J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2013,7(8):2909-2914.(in Chinese))

[4] 蔣銳,朱波,唐家良,等.紫色丘陵區典型小流域暴雨徑流氮磷遷移過程與通量[J].水利學報,2009,40(6):659-666.(JIANG Rui,ZHU Bo,TANG Jialiang,et al.Transportation processes and loss fluxes of nitrogen and phosphorous through storm runoff in a typical small watershed in the hilly area of purple soil[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(6):659-666.(in Chinese))

[5] 王超,趙培,高美榮.紫色土丘陵區典型生態-水文單元徑流與氮磷輸移特征[J].水利學報,2013,44(6):748-755.(WANG Chao,ZHAO Pei,GAO Meirong.Characteristics of nitrogen and phosphorus transportation through runoff in a typical ecological-hydrological unit of hilly area of purple soil[J].Journal of Hydraulic Engineering,2013,44(6):748-755.(in Chinese))

[6] 盛海峰,閆明宇,王興平.宜興梅林小流域磷素的遷移規律[J].水資源保護,2010,26(2):32-35.(SHENG Haifeng,YAN Mingyu,WANG Xingping.Law of phosphorus transportation in Meilin watershed in Yixing[J].Water Resources Protection,2010,26(2):32-35.(in Chinese))

[7] 李振煒,于興修,劉前進,等.沂蒙山區典型小流域特殊降雨的磷素輸出特征[J].環境科學,2012,33(4):1152-1158.(LI Zhenwei,YU Xingxiu,LIU Qianjin,et al.Output characteristics of non-point phosphorus from a typical small watershed in Yimeng Mountainous Area under the special rainfall [J].Environmental Science,2012,33(4):1152-1158.(in Chinese))

[8] 閆瑞,閆勝軍,趙富才,等.黃土丘陵區岔口小流域暴雨條件下氮素隨地表徑流遷移特征[J].水土保持學報,2014,28(5):82-86.(YAN Rui,YAN Shengjun,ZHAO Fucai,et al.Effects of rainstorm on export of nitrogen with surface runoff in loess hilly region of Chakou Watershed[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(5):82-86.(in Chinese))

[9] 曾遠,張永春,范學平.太湖流域典型平原河網區降雨徑流氮磷流失特征分析[J].水資源保護,2007,23(1):25-27.(ZENG Yuan,ZHANG Yongchun,FAN Xueping.Characteristics of nitrogen and phosphorus loss of rainfall runoff in typical plain river-net area of Taihu Lake Basin[J].Water Resources Protection,2007,23(1):25-27.(in Chinese))

[10] 姚錫良,黃國如.農村非點源污染負荷核算研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

[11] 李開明,任秀文,黃國如.基于AnnAGNPS模型泗合水流域非點源污染模擬研究[J].中國環境科學,2013,33(增刊1):54-59.(LI Kaiming,REN Xiuwen,HUANG Guoru,et al.Simulation of non-point source pollution in Sihe watershed with AnnAGNPS[J].China Environmental Science,2013,33(sup1):54-59.(in Chinese))

[12] 李定強,王繼增,萬洪富,等.廣東省東江流域典型小流域非點源污染物流失規律研究[J].水土保持學報,1998,4(3):12-18.(LI Dingqiang,WANG Jizeng,WAN Hongfu,et al.Law of non-point source pollutants losses in a typical small watershed of Dongjiang Drainage Basin of Guangdong Province [J].Journal of Soil and Water Conservation,1998,4(3):12-18.(in Chinese))

[13] 汪慶兵,李澤波,張建鋒,等.浙北毛竹林地表徑流氮磷流失特征[J].生態學雜志,2014,33(9):2471-2477.(WANG Qingbing,LI Zebo,ZHANG Jianfeng,et al.Characteristics of nitrogen and phosphorus loss by surface runoff in Moso bamboo stands in northern Zhejiang Province [J].Chinese Journal of Ecology,2014,33(9):2471-2477.(in Chinese))

[14] 王書敏,何強.山地城市面源污染時空分布特征研究[D].重慶:重慶大學,2012.

Analysis of characteristics of non-point source pollution in rainfall-runoff process in Siheshui Watershed of Tanjiang Valley

FENG Qiyu, HU Haiying, HUANG Guoru

(SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640 ,China)

Abstract：The Siheshui Watershed of the Tanjiang Valley, located in Jiangmen City, Guangdong Province, was used as the research region. Simultaneous monitoring of water quality and quantity during two rainfall events that occurred in May 2014 was conducted in order to study the characteristics and temporal and spatial variation of non-point pollutant emission in the rainfall-runoff process. The results show that the concentrations of pollutants such as BOD5, TP, and TN were high at the preliminary stage of the rainfall-runoff process, indicating a significant first flush effect. Soluble phosphorus accounted for a large proportion of the total phosphorus. The concentration of ammonia exhibited a first flush effect during the first half of the runoff process, and was negatively correlated with the volume of runoff during the second half of the process. The concentration of CODMnshowed a wavy and jagged change trend, and in the later period the concentration was influenced by the water withdrawal process dominated by the interflow. The pollutant flux and the volume of runoff had an approximately identical change trend, and a remarkable correlation between them was detected through statistical analysis. There was no significant correlation between the output concentration of TSS and the concentrations of other pollutants, indicating that the suspended solids made a small contribution to the output concentrations of other pollutants. Based on experimental results and practical experience, recommendations are given for the basin’s management.

Key words：rainfall-runoff monitoring; non-point source pollution; characteristic analysis; first flush effect; Siheshui Watershed

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.027

基金項目:國家自然科學基金(51209096);中央高?；究蒲袠I務費專項(2015ZM110)

作者簡介:馮麒宇(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水文學及水資源。E-mail: 394963409@qq.com 通信作者:胡海英,講師，博士。E-mail: cthyhu@scut.edu.cn

中圖分類號：TV122

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0143-06

(收稿日期：2015-00-00編輯：徐娟)